【复材资讯】聚合物真空绝缘子表面二级微结构

　　为研究绝缘子表面二级微结构的耐压提升机制，将表面二级微结构拆分为两种子结构，也即是表面微孔结构与表面微槽结构，并通过复合材料制备、激光处理、酸液选择性腐蚀等方式制备出表面二级微结构与相应的两种子结构。对三种结构分别进行沿面耐压性能测试，根据结果得出表面微孔与表面微槽均能有效地提升绝缘子的真空沿面耐压性能，而二者组合形成的表面二级微结构能够逐步提升绝缘子的真空沿面耐压性能。该根据结果得出通过将表面结构可以进行合理的组合能够实现对绝缘子表面闪络发展的多重、协同抑制，进一步提升绝缘子的真空沿面耐压水平。

　　霍艳坤1,2， 刘文元1， 何亚姣1， 柯昌凤1， 蔡利兵1， 白现臣1， 程 军1

　　（1. 西北核技术研究所，西安 710024； 2. 西安交通大学 材料科学与工程学院，西安 710049）

　　在真空绝缘系统中，绝缘子与真空的界面一直是容易放电的薄弱区域，诱发该界面放电的电压远低于同尺寸绝缘子与真空的击穿电压，这种现象被称作线]；该现象的存在大幅降低了绝缘子的耐压水平，甚至会危害系统的安全。因此，为提升绝缘子的真空沿面耐压水平，研究人员对该现象进行了大量研究，提出了多种耐压提升方法，如表面刻槽、表面抛光、等离子体处理与高梯度绝缘子等[6-14]。根据真空沿面闪络发展的二次电子发射雪崩理论，闪络的发展过程可以划分为三个阶段：初始电子发射、二次电子发射、吸附气体的脱附与击穿[15-20]。从闪络的发展过程可以看出电子的发射、运动与倍增是导致闪络发生的直接原因，对该过程进行阻断是提升绝缘子真空沿面耐压性能的有效方法；而在绝缘子表面制备一定的微结构能够对电子的运动与倍增进行干扰与抑制，因此，大量研究工作聚焦于绝缘子表面微结构的制备，以实现对电子运动与倍增的抑制，提升绝缘子的沿面耐压强度[21-25]。但关于绝缘子表面规整、可控的微结构却罕见报道。这是由于该研究领域现有的制备方法无法对微结构进行精确控制，制备的微结构杂乱无序，分布不均匀，重现性差，导致相关文献报道的微结构对真空沿面闪络电压的研究规律相差较大，很难稳定地提升绝缘材料的真空沿面闪络电压；若想利用微结构稳定且有效的提升真空绝缘子的沿面耐压水平，对表面微结构进行精确控制至关重要。

　　在前期的研究中，团队提出了一种绝缘子表面二级微结构，并利用激光微加工的方式将该结构制备在有机玻璃（PMMA）绝缘子表面，将绝缘子的线]；研究推测显著的耐压性能提升可能是由于二级微结构的多重抑制作用，但微孔与微槽之间在抑制闪络发展上是否具有多种抑制作用，单一的微结构是否能够达到相同的耐压提升效果依然缺乏进一步的研究。因此本论文将表面二级微结构分解为了表面微孔与表面微槽两种表面子结构，并将这三种结构制备在了交联聚苯乙烯绝缘子表面，分别测试了三种结构各自的沿面闪络电压与二次电子发射系数，以探索二级微结构抑制绝缘子真空沿面闪络发展的机制。

　　图1（a）为前期设计的二级微结构的结构示意图，在该结构中表面200 μm宽的三角形微槽为第一级微结构，而槽壁上直径为数微米的微孔为第二级微结构。二级微结构设计的理念是利用不同尺度的微结构对绝缘子表面闪络发展过程中的二次电子运动与倍增进行多重抑制，相比于原始的光滑表面，微结构具有低的二次电子发射系数，因而占空比越高，微结构与入射电子作用的概率就越大，对闪络的抑制越强。而从前期设计的二级微结构的示意图上可以明显的看出，两个微槽之间的平台区域依然是光滑的，不能对该区域的电子运动与倍增进行抑制，该区域依然有较高的二次电子发射系数。因此本文对前期的二级微结构进行了优化，如图1（b）所示，通过在两微槽之间的平台上添加微孔以替换原始的平面结构，利用微孔结构对该区域的二次电子倍增进行抑制，以降低该区域的二次电子发射系数，这对于提升绝缘子的耐压是有利的。为揭示二级微结构的耐压提升机制，该结构被分解为两种子结构：表面微孔与表面微槽；如图1（c）所示，两种子结构的结构参数与二级微结构中对应的微槽或微孔的结构参数完全一致；也即是微孔子结构的孔径与孔密度与二级微结构中的微孔保持一致，而微槽子结构的槽宽、槽深、槽密度与二级微结构中的微槽保持一致。

　　为制备上述的三种表面微结构，本论文首先制备了纯交联聚苯乙烯（CLPS）及其与二氧化硅的复合材料SiO2/CLPS，而后将其加工成直径30 mm厚度5 mm的圆柱；其中纯交联聚苯乙烯用来制备微槽结构，而复合材料用来制备表面微孔结构与二级微结构。复合材料中的二氧化硅为微米级微球，在其中充当造孔剂，制备出SiO2/CLPS复合材料并将其加工成型后二氧化硅微球会出现在复合材料表面，利用氢氟酸（HF）进行长时间超声腐蚀后，二氧化硅微球会被HF酸100%选择性腐蚀去除，剩下纯交联聚苯乙烯材料；由于表层占位的造孔剂被腐蚀去除，在材料表面形成了微孔结构[27]。

　　图1为三种微结构的制备流程示意图，其中图1（d）为表面微槽的制备过程，首先将柱状CLPS固定在旋转平台上，在旋转的同时利用激光对圆柱的侧面进行刻蚀，制备出平行于圆柱底面的阵列微槽结构，微槽的深度、宽度与周期可通过控制激光的能量、刻蚀速度、频率、刻蚀次数与刻蚀线密度进行调控。表面微孔的制备则采用了选择性化学腐蚀的方法，将SiO2/CLPS复合材料制备成绝缘子样件后在质量分数15%的HF酸中进行超声浸泡腐蚀；如图1（e）所示，伴随着SiO2微球被不断腐蚀去除，表面逐渐形成了微孔结构，最终制备出表面具有微孔的聚合物绝缘子，微孔的尺寸与微孔在绝缘子表面的密度可通过控制SiO2/CLPS复合材料中二氧化硅微球的尺寸与添加量进行调控，制备出所需微孔孔径与微孔密度。而表面二级微结构的制备则采用了激光刻蚀与选择性化学腐蚀结合的方法，如图1（f）所示，首先将SiO2/CLPS复合材料加工成型，而后利用激光刻蚀的方式在绝缘子表面制备出微槽结构，接着利用选择性化学腐蚀的方式去除微槽内壁与微槽之间台阶上的SiO2微球，制备出表面微孔结构，结合第一步制备出的微槽结构，最终形成聚合物绝缘子表面的二级微结构。与单独微槽与微孔的结构参数调控方式一致，可通过调节SiO2/CLPS复合材料中二氧化硅微球的尺寸与添加量与激光的能量、刻蚀速度、频率、刻蚀次数、刻蚀线密度分别对二级微结构中的微孔结构参数与微槽结构参数进行分别调控。

　　利用扫描电子显微镜（SEM）对三种表面微结构绝缘子的制备结果进行表征，利用实验室自建的脉冲高电压测试平台对三种绝缘子的真空沿面闪络电压进行测试；如图2上方所示，该平台能够产生上升沿30 ns，半高宽500 ns的脉冲高压。采用平板电极法对三种表面微结构绝缘子进行真空沿面闪络电压测试，首先将直径30 mm、厚度5 mm的绝缘子夹在两块直径80 mm的不锈钢电极之间，放入测试腔，接着将测试腔体的气压抽至10−3 Pa以下，而后采用逐步升压的方式对绝缘子的真空沿面闪络电压开展测试。如图2下方所示，采用逐步升压法开展沿面闪络电压测试，测试电压始于60 kV，每步增加2 kV，在每个电压下分别对绝缘子施加5次高压脉冲，当闪络首次出现时，将该电压记录为初始闪络电压；而后继续升高电压，直到五次高压脉冲均能引发绝缘子闪络，停止测试，并将该电压记录为老练电压，相关的测试平台、电压波形与详细测试流程参见文献[27]。采用脉冲放电法对三种微结构的二次电子发射系数进行测试，测试时保持测试腔压强小于3×10−4 Pa，测试束流强度为3 μA，测试温度设置为300 K。

　　图3为三种微结构的SEM测试结果，其中图3（a）与图3（b）分别为SiO2/CLPS复合材料与微孔绝缘子的制备结果，从图3（a）可以看出，加工成型的SiO2/CLPS复合材料表面存在大量的二氧化硅微球，而经过选择性化学腐蚀后，材料表面的微球被腐蚀去除，在绝缘子表面形成图3（b）所示的表面多孔结构。显然，表面微孔的尺寸与密度与所添加的SiO2微球的尺寸与密度保持一致，这表明可以通过调节微球的直径与添加量获得所需的微孔结构。图3（c）与图3（d）是表面微槽的制备结果，可以看出，经过激光处理的表面出现了规整的周期性微槽结构，槽的表面光滑，宽度约为200 μm。该结果表明采用激光刻蚀的方式能够在CLPS表面制备出无表面微结构的单纯微槽，通过调节激光的作用参数能够实现对微槽结构参数的调整。图3（e）与图3（f）是二级微结构的制备结果，可以看出，在相对较大的尺度上，二级微结构具有规整的周期性三角形微槽，而在小尺度上，具有覆盖整个表面的微孔结构。该结果表明通过激光刻蚀及随后的HF酸腐蚀能够在聚合物绝缘子表面制备出二级微结构。

　　这些SEM测试结果表明，通过复合材料合成、激光微加工与选择性化学腐蚀能够在聚合物绝缘子表面制备出三种微结构，且能够对三种微结构的结构参数进行调控；表面微孔的孔径与孔密度可以通过调节二氧化硅的粒径与添加量进行控制，表面微槽的深度、密度能够通过激光刻蚀次数与刻蚀线密度进行控制，而由二者组成二级微结构则可分别通过调节相应的微孔参数与微槽参数进行调控。相比于传统打磨、等离子体处理等方式制备出的杂乱无章、结构分布不均匀的不可控微结构，本研究涉及的微孔、微槽与二级微结构均能被精确调控，且在绝缘子表面分布均匀；能够克服以往不可控微结构引起的闪络电压上的不稳定性，为真空绝缘子带来稳定的耐压提升效果。

　　图4为三种绝缘子的真空沿面闪络电压测试结果，其中图4（a）为三种绝缘子的初始闪络电压，图4（b）为三种绝缘子的老练电压。表1为图4中每组绝缘子的结构参数，绝缘子参数选择的依据是：

　　（1）每一组的二级微结构的结构参数均与其同组的微槽结构与微孔结构保持一致，也即是每一组的二级微结构是由其同组的微孔结构与微槽结构复合而成，以保证对比的科学性；

　　（2）所有微结构的尤其是二级微结构的闪络电压均在实验平台的测试电压范围内，确保实验平台能够测试出其相对的耐压水平高低。

　　从表1中可以明显看出二级微结构的结构参数特征与相应的微槽、微孔的结构参数保持一致。从图4中可以看出无论是初始闪络电压还是老练电压具有二级微结构的绝缘子均高于同组的表面微槽或表面微孔绝缘子。该结果表明二级微结构中的微孔与微槽对闪络的发展可能存在着双重抑制作用；这种双重抑制作用使二级微结构绝缘子的耐压水平在微槽或微孔绝缘子的基础上得到了进一步提升。

　　同时将组1与组3或组2与组4的真空沿面闪络电压进行对比可以看出，随微槽线密度的增加，也即是微槽占空比的增加，微槽结构的闪络电压与相应二级微结构的闪络电压会相应上升。这是因为随微槽占空比的增加，绝缘子表面的易于发生二次电子倍增的平面区域在不断减少，而能够对二次电子倍增形成抑制的微槽数量不断增加，因而对闪络的抑制增强，闪络电压相应上升。该结果表明通过调节优化微槽结构参数如微槽深度、槽密度与槽宽度，可实现对闪络电压的更强烈抑制，实现更高的耐压提升效果，优化的微槽结构参数将会赋予二级微结构更高的耐压水平。相应的，对微孔的结构参数如微孔尺寸与微孔密度进行优化调节，也可实现对闪络电压的更强烈抑制，实现更高的耐压提升效果，优化的微孔结构参数也会赋予二级微结构更高的耐压水平。将微槽结构参数与微孔结构参数分别进行优化，而后组合成最优的二级微结构参数，将实现二级结构最优的耐压提升效果。这是因为微孔主要是通过空间限域吸收电子，当对微孔结构参数进行优化达到最佳的二次电子吸收效果后，将该微孔添加到优化的微槽上组成最佳二级微结构，可发挥微槽对电子运动与倍增的最强抑制与微孔对电子的最强吸收，因而能够实现最强的闪络电压抑制效果，达到二级结构最优的耐压提升效果。

　　图5为第二组中三种绝缘子的二次电子测试结果，从图中可以看出具有二级微结构的绝缘材料的二次电子发射系数低于对应的表面微槽或表面微孔绝缘材料。这说明二级微结构相比于表面微槽或表面微孔能够更有效的抑制闪络发展过程中的二次电子发射与倍增，因而能够更有效的阻碍绝缘子表面的闪络发展，提升绝缘子的真空沿面闪络电压。

　　如图6（a）所示，在微孔结构中，微孔充当物理陷阱；由于初始电子碰撞后产生的二次电子能量较低[28]，同时由于微孔的尺寸较小，当电子入射到微孔中时，由于微孔空间的限制，电子加速距离较短，难以从电场中获得足够的能量撞击绝缘材料激发二次电子，也即是孔内的二次电子发射系数小于1，随碰撞的进行电子逐渐被微孔吸收[25]，进而减少了绝缘料表面参与二次电子倍增的电子数目，抑制闪络的发展，提升了绝缘材料的沿面闪络电压。而在微槽结构中，如图6（b）所示，微槽能够充当物理障碍，打断电子在电场中的加速与碰撞过程，进而阻碍电子的运动与倍增，使得二次电子的倍增受到抑制[21-22,28-29]，同样可以减少表面电子的数目，抑制闪络的发展，提升绝缘子的闪络电压。而在图6（c）所示的二级微结构中，首先在相对较大的尺度上，微槽能够对二次电子先进行一定的抑制，降低二次电子倍增强度，同时电子碰撞后产生的二次电子能量大幅降低；此时在小尺度上，当二次电子入射到微孔中时，由于能量较低且由于微孔的空间限域，无法在电场中得到足够的能量，无法有效的激发二次电子，从而被微孔吸收。在这两种子结构的配合作用下，二级微结构绝缘子能够对表面倍增的二次电子进行双重抑制，相比于微孔或微槽绝缘子拥有更强的二次电子抑制能力，能够更有效地抑制闪络的发展，因而能够达到更高的真空沿面耐压水平。此外，本研究设计的二级微结构中，微孔分布于微槽内部，微槽能够对微孔形成保护，有效降低闪络放电对微孔结构的破坏，而尺度为百微米的微槽不容易被闪络放电损毁；该特征有利于提升绝缘子的使用寿命。

　　本论文通过结构优化与分解，样品制备、闪络耐压测试与二次电子测试证实了二级微结构中的双重抑制作用；也即是，闪络发展中的二次电子会被二级微结构抑制两次，首先是微槽阻碍，而后是微孔吸收，因此相比于两种子结构，二级微结构绝缘子的耐压水平得到了进一步的提升。

　　为防止二级微结构的沿面闪络电压超出平台测量范围，本研究选择了耐压提升幅度偏低的微孔结构参数与微槽结构参数组成了论文中的二级微结构，若选择更优的微孔结构参数与微槽结构参数组成二级微结构，将能够实现更高的耐压提升幅度；且该方法不需要改变绝缘子与电极结构，只需将结构制备在绝缘子表面即可达到提升耐压的效果，具有较大的工程应用潜力。

　　对耐压提升的机制进行进一步分析可以推测：将数种表面结构做到合理的设计能够对闪络的发展形成多重抑制，使绝缘子的耐压水平相比单一结构得到进一步的提升，这可能对高性能真空绝缘子的研发具有重要的启发作用。

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